工业领域的水泵如何节能改造

工业领域和民生领域，有大量以泵和管网组成的流体输配系统，如循环冷却水系统、冷冻水系统、循环导热油系统、自来水系统、采暖热水系统等。按输送流体加压次数分类，常见的有一次泵系统和二次泵系统。本文简要介绍一次泵、二次泵系统的特点，并从节能角度浅析二次泵在工业领域应用情况。

一、一次泵系统

1.一次泵系统简介

一次泵系统指由一次泵加压输配流体的系统。以工业领域常见的一次泵流体输配系统为例，如图1所示。图1所示的系统包含循环冷却水一次泵系统和冷冻水一次泵系统。循环冷却水系统由冷却塔、循环泵（一次泵）、循环水供回水管道、调节阀以及冷却水用户等组成。冷冻水系统由冷水机组、冷冻水泵（一次泵）、冷冻水供回水管道、调节阀以及冷冻水用户等组成。

2.一次泵系统的优缺点分析

循环泵是一次泵系统的核心，实际运行中需满足各用户对循环冷却水流量和扬程需求，其优缺点分析如下。

优点：

1. 一次泵系统布局简单，循环泵集中布置，适宜于热源、冷源集中布置的场合，设备少，施工简便。

2. 一次泵系统控制简便，运行过程仅需对泵出口流量和压力进行调节。

3. 对于供区范围较小，各需求点对压力需求较接近时，运行能效高。

缺点：

1. 一次泵系统设计中，循环泵扬程设计需要重点考虑最不利点的需要，对于最不利点流量需求估计以及裕量系数选取若稍有偏大，就会造成整个一次泵系统的扬程明显升高，造成投资显著增加，能源浪费严重。随着技术的发展，尤其是变频调速等技术的广泛应用，在很大程度上缓解了一次泵系统因设计不匹配造成的浪费问题。

2. 在一次泵系统投运前，需要对管网进行水力平衡，对各支管上的调节阀进行调节，确保每根支管上的流量和压力满足末端需求。但企业实际运行中负荷波动明显，各支管上的流量需求变化不定，调节失当易造成系统动态水力失调，结果可能造成部分管路流量不足（热量或冷量不足，影响生产），而部分管路流量超量（热量或冷量利用不充分，造成能源浪费）。

3. 系统压力较高，一次泵系统为满足供区内最不利点的压力需求设计扬程，最不利点的需求可能拉高整个系统的投资，包括循环泵扬程提升、配套电机功率增加、管网耐压压力提升等造成的投资增加。

二、二次泵系统

1.二次泵系统简介

二次泵系统指在一次泵加压的基础上由二次泵进一步加压输配流体的系统。二次泵以分布式布置为主（支管或干管），以工业领域常见的二次泵流体输配系统为例介绍，如图2所示。图2所示体统包含循环冷却水系统和冷冻水系统两个二次泵系统。循环冷却水二次泵系统由各冷却塔、循环泵（一次泵）、循环水供回水管道、增压泵（二次泵，部分支管安装）、调节阀以及冷却水用户等组成。冷冻水二次泵系统由冷水机组、冷冻水泵（一次泵）、冷冻水供回水管道、增压泵（二次泵，干管安装）、调节阀以及冷冻水用户等组成。

2.二次泵系统优缺点分析

二次泵系统是在一次泵系统基础上，对不利管路进行局部增压的输配系统，其优缺点分析如下。

优点：

1. 二次泵系统供应较一次泵系统供区范围可更广，更有利于较大范围的厂区集中布置冷热源。

2. 泵的总装机容量降低（相较于采用一次泵系统），运行效率较高，有利于降低运行成本；

3. 管网压力较低，泵、管网初投资可减少。

4. 系统稳定性更高，配合调速控制系统，不易产生水力失调（安装在支管上的调速二次泵，可取代调节阀调节流量和压力），能够做到按需分配。

缺点：

1. 较一次泵系统复杂，需要根据管网特性在合适位置布置二次泵，对二次加压点的选择难度较大，对设计的技术要求较高。

2. 设备较多，尤其是多支管分别布置二次泵时，需要对一次泵、二次泵进行协同控制，控制系统较一次泵系统复杂，维护工作量升高。

3. 对二次泵的可靠性要求较高。

三、改造案例分析

以某企业循环水系统为例，该企业循环冷却水需求流量为3500m³/h，企业配置1座4000m³/h的冷却塔（回水40℃，出水32℃），配置3台循环泵（2用1备），泵参数为2000m³/h，扬程50m，拖动电机功率为315kW。循环冷却水工艺流程图如下图所示。

该企业循环水系统设计偏大并且采用调节阀调节流量，运行能耗较高，经该企业经过摸底测试，对循环水系统进行智能控制改造，改造后，2台循环水泵在夏季满负荷工况下，智能控之后即可满足流量和扬程需求。测试节能率在20%左右，节能效果显著。

企业为降本增效进一步挖掘节能潜力，对循环水系统运行情况进行深入调研，四个主要的冷却水用户流量及扬程需求如下。

从调研结果看，企业的工艺装置1和工艺装置2对扬程要求较高，其中工艺装置2为循环水系统最不利点（距离循环水泵距离远且换热器标高较高），工艺装置1和工艺装置2的总流量需求占比为55%，其余皆为低扬程需求，系统具备对工艺装置1和工艺装置2实施二次增压的改造潜力。结合现场安装场地以及投资等测算，企业决定对工艺装置2循环水实施二次泵增压改造，增加两台低扬程（一用一备）增压泵（流量900m³/h、扬程10m，配套电机37kW），并同步配套智控系统装置。改造后系统如下图所示。

经调试运行，该改造虽增加了一台37kW的增压泵，但系统实际运行功率反而降低了约80kW，在原循环泵智能控制改造节能20%的基础上，节能率进一步增加至32%左右，节能效果进一步提升。

四、结语

二次泵系统是在一次泵系统基础上的进一步优化和提升，具有供区范围大、系统压力低、装机功率小、能量损耗小等特点，对于供区范围内存在不同压力需要的系统，配合一、二次泵的智能控制，具有显著的节能效果，适合于供区范围较大的新建项目或一次泵系统改造，具有较大的节能改造潜力。

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